Beschädigungsresistente Oberflächenbeschichtungen maritimer Strukturen bei typischen Betriebs- und Umweltbelastungen am Beispiel Ruder (Besoma) [IGF-Nr. 17135 BG]

Durchführende Stellen: FhG AGP Rostock (Prof. Wanner), HSU Hamburg (Prof. Klassen)

Bearbeitungszeitraum: 01.10.2012 bis 30.09.2014

Abschlussbericht: CMT 33/2015


Motivation / Ausgangssituation

Massive Erosionserscheinungen an modernen Containerschiffen und Fähren können die Sicherheit des Schiffsbetriebes gefährden. Kritisch ist insbesondere die Kavitationserosion, die durch die Bildung / Auflösung von Dampfblasen bei Druckschwankungen entsteht. Daneben bewirkt aufgewirbeltes Sediment im umgebenden Anströmbereich einen erhöhten Oberflächenabrieb, das Salzwasser bewirkt eine erhöhte Seewasserkorrosion. Die Beseitigung der Folgen dieser 3 erosiven Schädigungsarten im Ruder- und Achterschiffsbereich stellt einen erheblichen Kostenfaktor dar. In der Schiffsentwurfsphase werden durch hydrodynamische Berechnungen optimale Propeller-Ruder-Interaktionen ermittelt, um Kavitation weitgehend zu vermeiden. Hierfür werden moderne Simulationsverfahren eingesetzt und deren Ergebnisse in Modellversuchen im Kavitationstunnel und Schlepptank validiert. Die Bereiche der Kavitationsgefährdung können somit rechnerisch und experimentell gut ermittelt werden. Die erforderlichen strömungsmechanischen Bedingungen zur Reduzierung von Erosionswirkungen konnten jedoch bisher in fertigungstechnische Maßnahmen nur ansatzweise umgesetzt werden. In der Praxis werden die Schiffe mindestens alle 5-7 Jahre gedockt, um die aufgetretenen Schäden zu beseitigen Bei großvolumigen Ruderanlagen im Schiffbau bzw. im Achterschiffsbereich wurde das thermische Spritzen bisher nicht eingesetzt. Die betreffenden Stahloberflächen werden mit organischen Beschichtungen und i.d.R. zusätzlich mit Opferanoden aus Zink versehen. Diese werden regelmäßig nach dem Eindocken des Schiffes erneuert. Bei dennoch auftretenden Erosionsschäden in Form von großflächigen Materialverlusten wird mittels Auftragsschweißen und Schleifarbeiten eine relativ aufwendige Reparatur vorgenommen. Versuche, mit Laser-/ Plasmaauftragsschweißungen die Erosion an Schiffsrudern zu reduzieren, sind bisher über eine Konzeptionsphase nicht hinausgekommen. Untersuchungen zur Reduzierung von Kavitations-/ Erosionsschäden an maritimen Stahlstrukturen mittels Hochgeschwindigkeitsflamm- bzw. Plasmaspritzen in Deutschland und jüngst mittels Lichtbogenspritzen in Fernost zeigen, daß z.B. durch hochlegierte Fe-Cr-Ni-Mo-und Al-Si-Legierungen sehr gute Erosionsbeständigkeiten im Vergleich zu konventionellen organischen Anti-Korrosionsbeschichtungen über geeignete Prüfroutinen nachgewiesen werden konnten.

 

Zusammenfassung der geplanten Ziele und LösungsschritteDie Zielsetzung besteht in der Entwicklung einer Technologie zum vollständigen oder partiellen Kaltgasspritzen von Ruderanlagen- und umgebenden Achterschiffsbereichen, um Kavitations-, Abrasions- und Korrosionsschäden der betreffenden Oberflächen deutlich zu reduzieren. Dafür soll das Verfahren auf Werkstoffe für den maritimen Einsatz abgestimmt werden. Bestehende Prüfmethoden zur Beurteilung des Kavitations-, Abrasions- und Korrosionsschutzes sollen angepaßt und weiterentwickelt werden. Die sich daraus ergebenden wesentlichen Aufgaben des Projektes bestehen darin, geeignete Materialien auf deren Verarbeitbarkeit durch Kaltgasspritzen für maritime Strukturen bei typischen Betriebs- und Umweltbelastungen am Beispiel Ruder zu untersuchen und Prozeßparameter entsprechend zu optimieren, sowie die konstruktive, werkstofftechnische und gerätetechnische Voraussetzung für deren Applikation in Abstimmung mit den Klassifikationsgesellschaften zu schaffen. Wenn die Untersuchungen erfolgreich verlaufen, kann für den stark beanspruchten Unterwasserbereich insbesondere schnellfahrender Schiffe eine völlig neuartige Möglichkeit der Oberflächenbeschichtung genutzt werden, die aufgrund der wesentlich höheren Beanspruchbarkeit eine Erhöhung der Einsatzzeiten ermöglichen würde. Die bisherigen Dockintervalle von mindestens 5 Jahren könnten dann wesentlich verlängert bzw. die aufwendige Beseitigung von Erosionsschäden durch Kavitation, Oberflächenabrieb und Korrosion erheblich reduziert werden. In Laboruntersuchungen konnten für ausgewählte kaltgasgespritzte Teile Standzeiterhöhungen nach Kavitationstests um das 80-90-fache im Vergleich zur entsprechenden Farbbeschichtung erreicht werden. In weiterer Zusammenarbeit mit Klassifikationsgesellschaften werden Zulassungen angestrebt und damit die aufgezeigten wissenschaftlichen-technischen und wirtschaftlichen Fragestellungen gelöst und die Grundlage für eine technische Umsetzung geschaffen. Neue Einsatzfelder, wie z.B. der Offshorewindbereich, könnten von den Ergebnissen ebenfalls profitieren.

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